Characterization and test of a reconditioned Marx impulse voltage generator

This thesis describes the operation of a high voltage surge generator, used in high voltage laboratories to reproduce voltage impulses with controlled parameters. In various applications, in fact, it is necessary to evaluate and quantify effects of voltage surges. The most common cause of voltage surges are lightning discharges, which generate overvoltages with variable amplitude, of the order of some kV to some MV. The other cause of voltages surges is related to switching operations inside electrical substations: in this case temporal evolution is slower compared to atmospheric discharges. The instrument that allows to reproduce these discharges is the Marx generator (named after Erwin Otto Marx, who first described its circuit), consisting of an autotransformer, a rectifier, including a step-up transformer and a diode bridge, a set of capacitors, spark gaps and resistors. There are also a voltage regulation system, a capacitive measurement system and a digital oscilloscope for waveform recording. Subject of this work is a 1MV, 9kJ Haefely generator, dated 1972, which has been reconditioned, including complete rewiring of the main components. The generator was assembled and tested by the team of the electrical engineering department team of University of Zaragoza. Main goal of the activity was to verify the possibility to carry out lightning impulse tests in compliance with the European standard IEC 60060-1.

La presente trattazione riguarda il funzionamento di un generatore utilizzato nei laboratori di alta tensione per riprodurre impulsi di tensione con parametri controllati. In varie applicazioni, infatti, ci si trova a dover valutare e quantificare gli effetti di tali impulsi. Le cause più comuni di tali impulsi sono di natura atmosferica e generano sovratensioni di ampiezza variabile tra alcuni kV e alcuni MV e durata complessiva dell'ordine delle centinaia di microsecondi. L'altra causa frequente di sovratensioni sono le operazioni di manovra nelle sottostazioni elettriche: in questo caso l'evoluzione temporale è più lenta rispetto alle scariche atmosferiche. Lo strumento che consente di riprodurre tali scariche è il generatore di Marx (dal nome dallo studioso Erwin Otto Marx che per primo ne descrisse il circuito), costituito da un autotrasformatore, un circuito raddrizzatore, a sua volta composto da un trasformatore elevatore e da un ponte di diodi, un insieme di condensatori, resistenze e spinterometri che costituiscono il generatore vero e proprio. Vi sono poi il sistema di regolazione della tensione, il sistema di misura, solitamente di tipo capacitivo, e un oscilloscopio campionatore per il rilevamento delle forme d'onda. Nel presente elaborato viene descritto il funzionamento di un generatore modello "HAEFELY" di tensione massima 1MV ed energia 9 kJ. L'attività attorno alla quale ruota la trattazione è il restauro del generatore, risalente al 1972. L'operazione ha previsto il montaggio dei principali blocchi: l'armadio di controllo, il rettificatore ed il generatore, il sistema di misura. L'intero sistema è stato assemblato e testato dal team del dipartimento di ingegneria elettrica dell'università di Saragozza. L'obiettivo principale dell'attività era di verificare la possibilità di utilizzare il generatore per realizzare scariche conformi alla normativa europea IEC 60060-1 relativamente alla prova di fronte rapido.